专利名称：一种测力传感方法
技术领域：
本发明涉及测试技术，尤其涉及一种测力传感方法。
背景技术：
测力传感器的实现是通过将几个应变片粘贴到某个弹性体上并且通过线路将这几个应变片连接成惠斯通电桥，当受力单元受力变形的时候，应变片的电阻和惠斯通电桥的输出发生变化，将这种输出和主荷载之间的关系联系起来，这个受力单元就可以看作一个测力传感器。
如果零件形状比较复杂，确定应变片的粘贴位置就会很难。为了便于测力装置能够正确安装，传统的采集荷载的方法是将(如汽车)部件取下来或者重新制造一个相同的承载的部件，有时候也会想一些其它的办法，基本原理都是围绕材料力学相关理论或者试验方法来确定应变片的粘贴位置和粘贴方向。
例如，为了达到测试目的，在现有技术中，都需要通过将车体抬高一定距离，以便放置传统的测力传感器，然后通过反复的试验来确定测试结果的正确性和误差范围，但是，如果将汽车的零部件单独取出来或者重新制作，一旦离开了车体，就会或多或少的在刚度等指标上偏离实际值，进而对测力传感器的测量值产生影响，使测量值不具代表性，缺乏说服力，这样，使用传统的方法来进行测量就需要反复的试验以及需要推断一定的误差范围，操作烦杂，而且精度低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简便，精度高的测力传感方法，以克服现有技术中操作烦杂，而且精度低的不足。
本发明所采用的测力传感方法包括如下步骤A、通过对待测部件的有限元分析，得到有限元的分析结果，获得有限元单元的应变参数；B、从所述的有限元单元的应变参数中选取标称优化的应变片粘贴位置组合；C、由所述的应变片按特定角度贴置于所述标称优化的应变片粘贴位置中，构成惠斯通电桥；D、对待测部件施加载荷，根据上述应变参数所计算的电桥压差，与实际测量的电桥压差进行比较；E、根据比较结果选择测试优化的应变片粘贴位置组合。
所述的步骤E中，设定一预定值，进行如下操作当所述的比较结果所反映的灵敏度符合预定值要求时，已有的标称优化的应变片粘贴位置组合当作为测试优化的应变片粘贴位置组合；当所述的比较结果所反映的灵敏度不符合预定值要求时，则重复前述步骤B-步骤D，重新选取标称优化的应变片粘贴位置组合，直至所述标称优化的应变片粘贴位置组合的比较结果所反映的灵敏度符合预定值要求。
所述的步骤E之后，还包括如下步骤将所述的测试优化的应变片粘贴位置组合应用于现场之中，选取最优化应变片粘贴位置组合。
所述的步骤A中，所述的有限元分析就是将待测部件分割成有限个微小的、可以人为控制的若干个小单元，通过对待测部件施加主要关心载荷以及所有的干扰载荷，通过数据分析计算，得到有限元的输出结果；所述的步骤A中，所述的有限元分析采用如下步骤A1、建立一个有限元模型，即，对待测部件进行划分网格处理，将其划分成若干个小单元；A2、约束待测部件，并将主要关心载荷和干扰载荷分别单独施加于待测部件上，对待测部件施加主要关心载荷，测试出所有的有限元数据{Ai}，至少对该待测部件单独施加一个干扰载荷，测试出所有的有限元数据{Bi}，通过对有限元数据{Ai}和{Bi}的比较、分析至少得到特定有限元位置所对应的应变参数。
所述的应变参数至少包括有限元单元对应的最大应变量emax、最小应变量emin和主应变角的变化量θ。
所述的步骤A1中，所述的小单元的尺寸在5mm-10mm之间。
所述的步骤A2中，在所述有限元计算中，所使用的基本算法为F＝KU，其中F代表有限元节点的力向量；K代表有限元刚度矩阵；U代表有限元节点的位移向量；针对每一个有限元，首先确定这个有限元的局部刚度矩阵k和局部力向量f，然后通过组装算法将每一个局部刚度矩阵k和局部力向量f组合到一起，形成具有全局坐标系的有限元刚度矩阵K和限元节点的力向量F；
在划分网格处理完毕后，载荷施加完毕，F与K即作为已知量，根据有限元节点的力向量F和有限元刚度矩阵K得到有限元节点的位移向量U。
所述的步骤A2中，首先进行如下步骤对于实际不能粘贴应变片的待测部件部位所对应的有限元单元，从有限元模型中将其屏蔽掉而不予考虑。
所述的步骤B中，所述的选取标称优化的应变片粘贴位置组合时，根据有限元单元的应变参数，对于不同有限元位置的最大应变量emax、最小应变量emin的值分别进行比较，取得相对的应变量最大的有限元单元和相对的应变量最小的有限元单元，作为应变片粘贴位置组合。
所述的步骤C中，对于带有两个剪切应变片的贴片，其贴片方向与有限元单元轴向成45度角。
所述的步骤D中，对待测部件施加载荷时，向待测部件施加主要关心载荷，根据电桥压差的计算值与实际测量值计算出该应变片粘贴位置组合的灵敏度；所述的步骤D中，还向待测部件单独施加干扰载荷，测试、计算干扰因素的作用，量化干扰因素的大小。
所述的步骤D中，在根据应变参数计算电桥压差时，对于应变片的贴片处于被拉长的方向时，应变片的校正根据主要关心载荷作用下产生的最大单元变形来确定；对于应变片的贴片处于被压缩的方向时，应变片的校正根据主要关心载荷作用下产生的最小单元变形来确定；所述的步骤D中，在根据应变参数计算电桥压差时，采用如下计算得到V0＝V×[(R1+dR1)/(R1+dR1+R4+dR4)-(R2+dR2)/(R2+dR2+R3+dR3)]，其中，R1，R2，R3，R4为各应变片的标称电阻，dR1，dR2，dR3，dR4为各应变片的电阻变化量；当应变片的贴片处于被拉长的方向时，干扰载荷的作用下产生的单元应变由下面的计算得到干扰应变1＝(emax+emin)/2+((emax-emin)/2)×cos2θ；当应变片的贴片处于被拉长的方向时，干扰载荷的作用下产生的单元应变由下面的计算得到干扰应变2＝(emax+emin)/2+((emax-emin)/2)×cos2(θ-90)所述的应变片电阻的变化根据下式得出dR＝GF×e×R，其中，GF是应变片的贴片系数，R是应变片的标称电阻，e为应变片的应变量，该e值确定为所述的干扰应变1或干扰应变2。
本发明的有益效果为在本发明中，通过在待测部件之外建立这个部件的有限元分析模型，通过对有限元模型的加载主要关心载荷和干扰载荷来定性、定量分析这个部件的单元应变情况，采用计算机运算，然后根据分析结果确定具体应该在何位置粘贴应变片，这样，干扰载荷对待测部件的影响在传感转化中可得到精确的校正，就将待测部件自身转化为一个精确的测力传感器，进而消除由于传统测力传感器的放置位置等原因造成的附加误差，使测试数据更加准确可信，本发明通过合适的应变片粘贴以及电路连接来形成惠斯通电桥，将干扰误差控制到一定范围内，因此，本发明操作简便，精度高；在本发明中，将有限元应用到测试中，得到各部位的应变量大小，通过有限元分析来确定合理的贴片位置，与传统意义上的静力有限元分析有着较大的差别，本发明中的这种有限元分析对于有限元进行了更具体的量化处理，在原理上确保了本发明的精确度。
图1为本发明控制流程示意图；图2为本发明有限元分析控制流程示意图；图3为本发明前托架部件结构示意图；图4为本发明前托架部件有限元模型结构示意图；图5为本发明实施例中贴片粘贴示意图；图6为本发明实施例中惠斯通电桥的电路示意图。
具体实施例方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明本实施例具体地针对一个重型货车的前托架部件5对本发明的应用进行详细说明，如图3所示，这个前托架部件5是一个线形的悬臂梁，在重型货车中，通过螺栓孔28在以及定位孔22连接到车体的侧面，通过本发明的应用，反映通过定位孔22的垂直作用的主要关心载荷24，在不受干扰载荷26影响下的作用情况。
如图1所示，本发明的具体控制流程如下1.如图1所示，对前托架部件5进行有限元分析，建立有限元模型，得到有限元的分析结果，获得有限元单元的应变参数，其具体控制流程如图2所示11、如图2所示，建立一个有限元模型，如图4所示，对前托架部件5进行划分网格处理，将其划分成若干个小单元，其中小单元的尺寸在5mm-10mm之间为佳。
12、如图2所示，对于实际不能粘贴应变片的待测部件部位所对应的有限元单元，从有限元模型中将其屏蔽掉而不予考虑。
13、如图2和图3所示，通过螺栓孔28约束前托架部件5，向前托架部件5施加主要关心载荷24。
14、如图2所示，通过计算机运算，测试出有限元单元的有限元数据{Ai}，在本发明中，对于这种有限元计算，所使用的基本算法为F＝KU，其中F代表有限元节点的力向量；K代表有限元刚度矩阵；U代表有限元节点的位移向量。
针对每一个有限元，首先确定这个有限元的局部刚度矩阵k和局部力向量f，然后通过组装算法将每一个局部刚度矩阵k和局部力向量f组合到一起，形成具有全局坐标系的有限元刚度矩阵K和限元节点的力向量F。
这样，实际上在划分网格处理完毕后，主要关心载荷24施加完毕，F与K即作为已知量，根据有限元节点的力向量F和有限元刚度矩阵K得到有限元节点的位移向量U。
15、如图2和图3所示，向前托架部件5单独施加干扰载荷26。
16、如图2所示，如上所述同理，测试出有限元单元的有限元数据{Bi}。
17、如图2所示，对有限元数据{Ai}和{Bi}的比较、分析，得到一系列的多维数组数据，一个特定的有限元位置则对应于特定的应变参数，如最大应变量emax、最小应变量emin和主应变角的变化量θ等。
这样，通过上述步骤11-步骤17的有限元分析，将前托架部件5分割成有限个微小的、可以人为控制的若干个小单元，通过对待测部件施加主要关心载荷以及干扰载荷，通过数据分析计算，得到有限元的输出结果及应变参数。
2.如图1所示，从上述有限元单元的应变参数中选取标称优化的应变片粘贴位置组合，根据有限元单元的应变参数，对于不同有限元位置的最大应变量emax、最小应变量emin的值分别进行比较，取得相对的应变量最大的有限元单元和相对的应变量最小的有限元单元，作为标称优化的应变片粘贴位置组合。
3.如图1所示，由应变片按特定角度贴置于所述标称优化的应变片粘贴位置中，构成惠斯通电桥，在本实施例中，如图5所示，采用两个带有两个剪切应变片的贴片42、44，贴片42上有两个剪切应变片42a、42b，贴片44上有两个剪切应变片44a、44b，贴片42、44的方向与有限元单元轴00’成45度角，如图6所示，由剪切应变片42a、42b、44a、44b构成惠斯通电桥。
4.如图1所示，对前托架部件5施加主要关心载荷24。
5.如图1所示，计算该惠斯通电桥的电桥压差V0，在根据应变参数计算电桥压差V0时，对于应变片的贴片处于被拉长的方向时，应变片的校正根据主要关心载荷作用下产生的最大单元变形来确定；对于应变片的贴片处于被压缩的方向时，应变片的校正根据主要关心载荷作用下产生的最小单元变形来确定，如图5和图6所示，剪切应变片42a、44a是被拉伸的，剪切应变片42b、44b是被压缩的。在本发明中，电桥压差V0采用如下计算得到V0＝V×[(R1+dR1)/(R1+dR1+R4+dR4)-(R2+dR2)/(R2+dR2+R3+dR3)]其中，应变片电阻的变化根据下式得出dR＝GF×e×R
其中，GF是应变片的贴片系数，R是应变片的标称电阻，e为应变片的应变量，贴片系数与标称电阻对各剪切应变片42a、42b、44a、44b来说是已知的。
至于应变量e的确定，根据以上所述，由于剪切应变片42a、44a是被拉伸的，采用如下计算干扰应变1＝(emax+emin)/2+((emax-emin)/2)×cos2θ剪切应变片42a、44a根据该式分别计算出的干扰应变1为剪切应变片42a、44a的应变量e。
由于剪切应变片42b、44b是被压缩的，采用如下计算干扰应变2＝(emax+emin)/2+((emax-emin)/2)×cos2(θ-90)剪切应变片42b、44b根据该式分别计算出的干扰应变2为剪切应变片42b、44b的应变量e。
如此，则可计算出电桥压差V0。
将计算出电桥压差V0与实际的电桥压差V0进行对比，得到传感器的灵敏度。
6.如图1所示，设定一预定值，进行如下操作当所述的比较结果所反映的灵敏度符合预定值要求时，如，当灵敏度大于或等于预定值时，将上述的标称优化的应变片粘贴位置组合当作为测试优化的应变片粘贴位置组合，并另以保存，继续如下步骤7；当所述的比较结果所反映的灵敏度不符合预定值要求时，如，当灵敏度小于预定值时，则重复前述步骤2-步骤6，重新选取标称优化的应变片粘贴位置组合，直至所述标称优化的应变片粘贴位置组合的比较结果所反映的灵敏度符合预定值要求，继续如下步骤7。
7.如图1所示，向前托架部件5单独施加干扰载荷26，测试、计算干扰因素的作用，量化干扰因素的大小，其中的计算如上述步骤5所述原理一致，此处不再赘述；且将干扰因素的大小加以保存。
8.如图1所示，将上根据测试优化的应变片粘贴位置组合应用于现场之中，进行如下操作若测试优化的应变片粘贴位置组合适合于现场应用，将其保存为最优化应变片粘贴位置组合，继续如下步骤9。
若测试优化的应变片粘贴位置组合不适合于现场应用，由于在本发明实际的操作中，在上述步骤6可能得到不止一组的测试优化的应变片粘贴位置组合，因此，可以取出下一组测试优化的应变片粘贴位置组合，重复本步骤。
9.保存所述最优化应变片粘贴位置组合的所有相关数据，对数据归化处理，输出参数。
权利要求
1.一种测力传感方法，其特征在于它包括如下步骤A、通过对待测部件的有限元分析，得到有限元的分析结果，获得有限元单元的应变参数；B、从所述的有限元单元的应变参数中选取标称优化的应变片粘贴位置组合；C、由所述的应变片按特定角度贴置于所述标称优化的应变片粘贴位置中，构成惠斯通电桥；D、对待测部件施加载荷，根据上述应变参数所计算的电桥压差，与实际测量的电桥压差进行比较；E、根据比较结果选择测试优化的应变片粘贴位置组合。
2.根据权利要求1所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤E中，设定一预定值，进行如下操作当所述的比较结果所反映的灵敏度符合预定值要求时，已有的标称优化的应变片粘贴位置组合当作为测试优化的应变片粘贴位置组合；当所述的比较结果所反映的灵敏度不符合预定值要求时，则重复前述步骤B-步骤D，重新选取标称优化的应变片粘贴位置组合，直至所述标称优化的应变片粘贴位置组合的比较结果所反映的灵敏度符合预定值要求。
3.根据权利要求1所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤E之后，还包括如下步骤将所述的测试优化的应变片粘贴位置组合应用于现场之中，选取最优化应变片粘贴位置组合。
4.根据权利要求1或2或3所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤A中，所述的有限元分析就是将待测部件分割成有限个微小的、可以人为控制的若干个小单元，通过对待测部件施加主要关心载荷以及所有的干扰载荷，通过数据分析计算，得到有限元的输出结果。
5.根据权利要求4所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤A中，所述的有限元分析采用如下步骤A1、建立一个有限元模型，对待测部件进行划分网格处理，将其划分成若干个小单元；A2、约束待测部件，并将主要关心载荷和干扰载荷分别单独施加于待测部件上，对待测部件施加主要关心载荷，测试出所有的有限元数据{Ai}，至少对该待测部件单独施加一个干扰载荷，测试出所有的有限元数据{Bi}，通过对有限元数据{Ai}和{Bi}的比较、分析至少得到特定有限元位置所对应的应变参数。
6.根据权利要求5所述的测力传感方法，其特征在于所述的应变参数至少包括有限元单元对应的最大应变量emax、最小应变量emin和主应变角的变化量θ。
7.根据权利要求5所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤A1中，所述的小单元的尺寸在5mm-10mm之间。
8.根据权利要求5所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤A2中，在所述有限元计算中，所使用的基本算法为F＝KU，其中F代表有限元节点的力向量；K代表有限元刚度矩阵；U代表有限元节点的位移向量；针对每一个有限元，首先确定这个有限元的局部刚度矩阵k和局部力向量f，然后通过组装算法将每一个局部刚度矩阵k和局部力向量f组合到一起，形成具有全局坐标系的有限元刚度矩阵K和限元节点的力向量F；在划分网格处理完毕后，载荷施加完毕，F与K即作为已知量，根据有限元节点的力向量F和有限元刚度矩阵K得到有限元节点的位移向量U。
9.根据权利要求5所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤A2中，首先进行如下步骤对于实际不能粘贴应变片的待测部件部位所对应的有限元单元，从有限元模型中将其屏蔽掉而不予考虑。
10.根据权利要求5所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤B中，所述的选取标称优化的应变片粘贴位置组合时，根据有限元单元的应变参数，对于不同有限元位置的最大应变量emax、最小应变量emin的值分别进行比较，取得相对的应变量最大的有限元单元和相对的应变量最小的有限元单元，作为应变片粘贴位置组合。
11.根据权利要求5所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤C中，对于带有两个剪切应变片的贴片，其贴片方向与有限元单元轴向成45度角。
12.根据权利要求1所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤D中，对待测部件施加载荷时，向待测部件施加主要关心载荷，根据电桥压差的计算值与实际测量值计算出该应变片粘贴位置组合的灵敏度。
13.根据权利要求12所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤D中，还向待测部件单独施加干扰载荷，测试、计算干扰因素的作用，量化干扰因素的大小。
14.根据权利要求1或12或13所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤D中，在根据应变参数计算电桥压差时，对于应变片的贴片处于被拉长的方向时，应变片的校正根据主要关心载荷作用下产生的最大单元变形来确定；对于应变片的贴片处于被压缩的方向时，应变片的校正根据主要关心载荷作用下产生的最小单元变形来确定。
15.根据权利要求1或12或13所述的测力传感方法，其特征在于所述的步骤D中，在根据应变参数计算电桥压差时，采用如下计算得到V0＝V×[(R1+dR1)/(R1+dR1+R4+dR4)-(R2+dR2)/(R2+dR2+R3+DR3)]，其中，R1，R2，R3，R4为各应变片的标称电阻，dR1，dR2，dR3，dR4为各应变片的电阻变化量。
16.根据权利要求15所述的测力传感方法，其特征在于当应变片的贴片处于被拉长的方向时，干扰载荷的作用下产生的单元应变由下面的计算得到干扰应变1＝(emax+emin)/2+((emax-emin)/2)×cos2θ；当应变片的贴片处于被拉长的方向时，干扰载荷的作用下产生的单元应变由下面的计算得到干扰应变2＝(emax+emin)/2+((emax-emin)/2)×cos2(θ-90)
17.根据权利要求16所述的测力传感方法，其特征在于所述的应变片电阻的变化根据下式得出dR＝GF×e×R，其中，GF是应变片的贴片系数，R是应变片的标称电阻，e为应变片的应变量，该e值确定为所述的干扰应变1或干扰应变2。
全文摘要
一种涉及测试技术的测力传感方法，采用如下步骤A.通过对待测部件的有限元分析，得到有限元的分析结果，获得有限元单元的应变参数，B.从所述的有限元单元的应变参数中选取标称优化的应变片粘贴位置组合，C.由所述的应变片按特定角度贴置于所述标称优化的应变片粘贴位置中，构成惠斯通电桥，D.对待测部件施加载荷，根据上述应变参数所计算的电桥压差，与实际测量的电桥压差进行比较，E.根据比较结果选择测试优化的应变片粘贴位置组合；还包括如下步骤将所述的测试优化的应变片粘贴位置组合应用于现场之中，选取最优化应变片粘贴位置组合，本发明操作简便，精度高。
文档编号G01G19/02GK1940514SQ20051010019
公开日2007年4月4日 申请日期2005年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者张岩 申请人:比亚迪股份有限公司